고정자 및 회전자 작동 원리: 인간 중심 심층 분석

전기 기계는 가만히 서 있는 고정자와 뒤따라오는 회전자라는 두 주인공을 만나기 전까지는 신비롭게 느껴질 수 있습니다. 한 쪽은 리듬을 잡고 다른 한 쪽은 고정하고 움직이는 댄스 파트너라고 생각하면 됩니다. 이 글에서는 주요 모터 제품군에서 이 춤이 어떻게 토크를 생성하는지, 그리고 어떻게 설계, 선택, 냉각, 진단 및 관리하여 조용하고 오래도록 작동하도록 하는지에 대해 쉽게 설명하지만 기술적으로 엄격하게 설명합니다.

• 얻을 수 있는 이점:
  • 시각화할 수 있는 토크 발생의 멘탈 모델입니다.
  • 인덕션, 동기식, DC 모터의 차이점을 한 눈에 살펴보세요.
  • 속도, 미끄러짐, 재료, 냉각 및 고장에 대한 실용적인 경험 법칙을 확인하세요.
  • 다운타임이 발생하기 전에 문제를 진단하는 현장에서 검증된 팁을 확인하세요.

한 장의 사진으로 보는 고정자 대 회전자

고정자는 권선이나 자석을 운반하는 고정된 자기 '무대'입니다. 로터는 고정자의 자기장과 상호 작용하여 토크를 발생시키고 샤프트를 통해 기계적 동력을 전달하는 회전하는 '댄서'입니다. 대부분의 AC 기계에서 고정자는 회전 자기장을 생성하고, 회 전자는 작은 속도 차이로 이를 쫓아가거나(유도) 고정자에 고정됩니다(동기식).

• 두 가지 생생한 비유:
  • 스테이터는 러닝머신에서 움직이는 빛의 패턴이고, 로터는 이를 따라잡으려는 러너입니다.
  • 고정자는 120° 간격으로 세 개의 음(3상 전류)을 "노래"하고, 로터는 음이 만나는 지점에서 토크를 생성하여 조화를 이룹니다.

전자에서 운동까지(컴팩트 멘탈 모델)

모든 모터는 변화하는 자기장이 전류를 유도하고(패러데이), 자기장의 전류가 힘을 느끼는(로렌츠) 두 가지 기둥을 활용합니다. 고정자의 자계가 회전하도록 권선을 배열하고, 유도 전류 또는 공급 전류가 자계와 상호 작용하도록 회전자에 전도성 경로를 배치합니다. 전계와 전류의 교차 곱은 접선력을 생성하며, 에어 갭을 중심으로 토크에 합산됩니다.

• 5단계 순서로 스케치할 수 있습니다: 1) 고정자 전류 → 회전 자기장. 2) 회전자 자속 변화 → 유도 또는 공급 전류. 3) 자기장 × 전류 → 회전자 도체에 가해지는 접선력. 4) 원주 주위의 힘의 합 → 토크. 5) 시간에 따른 토크 → 속도, 부하 및 손실에 따라 달라질 수 있습니다.

회전 필드와 "얼마나 빨리 회전해야 할까요?"

3상 고정자 권선은 무부하 기계 속도가 동기 속도 Ns = 120-f/P(rpm)인 회전 자기장을 생성하며, 여기서 f는 라인 주파수(Hz)이고 P는 극의 수입니다. 이 단일 관계가 AC 기계 속도의 상한을 설정합니다.

• 60Hz의 빠른 숫자:
  • 2극: 3600rpm. 4극: 1800rpm. 6극: 1200rpm. 8극: 900rpm.
  • 가변 주파수 드라이브는 애플리케이션의 필요에 따라 f를 이동하여 N을 위 또는 아래로 이동하기만 하면 됩니다.

인덕션 모터: 의도적인 속도 차이를 가진 일꾼

다람쥐 케이지 유도 모터에서는 고정자의 회전 자계가 회전자 막대를 지나면서 전류를 유도하여 자체 자계를 생성하고 이 상호 작용으로 토크를 발생시킵니다. 로터는 약간의 지연이 있어야 하는데, 이 Ns와의 차이를 "슬립"이라고 하며, 정격 부하에서 대부분의 산업용 모터는 약 1-5% 슬립으로 작동합니다. 구리 권선이 있는 적층 철제 고정자와 다이캐스트 또는 바 앤 링 도체(알루미늄 또는 구리)가 있는 적층 회전자 등 견고한 구조로 되어 있습니다.

• 한눈에 보기:
  • 하중에 따라 슬립이 상승하고, 슬립에 따라 토크가 상승합니다(최대 고장 토크까지).
  • 다람쥐 케이지 = 유지보수가 적고, 와인드 로터(슬립 링을 통한) = 시동 토크는 제어할 수 있지만 유지보수가 더 많이 듭니다.

동기식 모터: 고정자 필드와 함께 잠금 단계

여기서 로터는 자체적으로 일정한 자기장(슬립 링 또는 영구 자석을 통한 DC 권선 자기장)을 전달합니다. 고정자의 파동을 '추격'하는 것이 아니라 고정자에 고정됩니다. 로터 자계가 일정하기 때문에 모터는 자계 전류를 트리밍하여 유니티 또는 리드 역률로 작동할 수 있으며, 이는 대규모 산업 플랜트에서 중요하게 여겨집니다. 참고: 동기식 모터는 자체 시동이 되지 않으며, 댐퍼 권선 또는 VFD를 사용하여 풀인 전에 거의 동기 속도에 가깝게 모터를 가속합니다.

• 선택 시기:
  • 다양한 부하에서 일정한 속도가 필요합니다.
  • 역률 보정 기능이 포함된 상품을 원합니다.
  • PM 동기식 기계는 효율성과 전력 밀도가 가장 중요한 분야(예: 전기차 견인)에서 빛을 발합니다.

브러시드 DC 모터: 주문형 토크의 원조

고정자 코일 또는 영구 자석의 정지 자계가 에어 갭을 가로지르고, 회전자(전기자) 권선은 기계적으로 전류를 전환하여 토크를 단방향으로 유지하는 정류자를 통해 연결됩니다. 우아하고 높은 시동 토크, 넓은 속도 제어 - 브러시 마모 및 유지보수 비용 절감.

• 여전히 승리하는 곳:
  • 저전압 메카트로닉스, 도구, 액추에이터 및 기존 가변 속도 라인.
  • 단순한 전압 노브가 속도 노브여야 하는 경우.

내부의 금속: 적층, 손실 및 얇은 강철이 중요한 이유

고정자 및 회전자 코어는 모두 절연된 스택입니다. 전기강판 라미네이션. 라미네이팅은 인두의 와전류 루프를 분리하여 가열과 손실을 획기적으로 줄여줍니다. 일반적으로 0.5mm 내외의 산업용 라미네이션이 일반적이며, 0.35mm 또는 0.27mm와 같이 더 얇은 등급은 더 높은 전기 주파수에서 철 손실을 더 줄입니다.

• 실용적인 지침:
  • 더 빠른 속도/더 많은 극 수(더 높은 전기 주파수) → 더 얇은 라미네이션을 선호합니다.
  • 스택 요소와 비용을 잊지 마세요. 얇을수록 성능이 향상되고 제조 공차 요구 사항이 더 엄격해지는 경우가 많습니다.

로터가 작동하도록 하는 지오메트리 트릭

설계자는 케이지 바를 슬롯 피치의 일부분만 기울이기 때문에 주어진 로터 바가 하나의 고정자 슬롯에 완벽하게 정렬되지 않습니다. 그 결과, 특히 저속에서 코깅이 감소하고 토크가 부드러워지며 음향 소음이 줄어듭니다. 이는 전자 장치 없이 토크를 부드럽게 하는 고전적이고 저렴한 방법입니다.

• 더 많은 '조용한' 기술을 볼 수 있습니다:
  • PM 기계의 분수 슬롯 권선, 로터 노칭 및 최적화된 극 아크는 토크 리플을 줄입니다(단점: 복잡성, 때때로 약간의 피크 토크 손실).

냉각 및 단열: 구리 및 강철을 쾌적하게 유지

대부분의 범용 산업용 모터는 외부 공기가 권선을 통과하지 않고 샤프트에 장착된 팬이 핀이 달린 프레임을 가로질러 열을 배출하는 완전 밀폐형 팬 냉각식(TEFC)입니다. 더 혹독한 작업 환경에서는 공기 대 공기 또는 물 대 공기 열 교환기와 온도 상승을 처리하기 위한 클래스 F 또는 H 등급의 단열 시스템을 볼 수 있습니다.

• 선택 퀵팁:
  • 먼지가 많거나 습한 지역에서는 TEFC가 ODP를 능가하지만, 깨끗한 실내 공기 흐름에서는 ODP도 괜찮을 수 있습니다.
  • 저속, 고토크의 VFD를 사용하시나요? 낮은 rpm에서 냉각을 유지하려면 별도로 동력을 공급하는 블로어를 고려하세요.

요금 청구서에서 체감할 수 있는 효율성 향상 효과

케이지를 알루미늄에서 다이캐스트 구리로 업그레이드하면 로터 전도성이 향상되어 I²R 손실이 줄어들고 효율이 높아지며, 실험실 및 현장 시험 결과 설계에 따라 최대 15~23%의 모터 손실 감소와 1.2~1.7%포인트의 효율 증가가 보고되었습니다. 일부 설계에서는 동일한 성능으로 더 작은 프레임을 만들 수 있습니다. ⁶

• 구리 로터가 적합한 경우:
  • 높은 듀티 팩터와 에너지에 민감한 사이트.
  • 모든 켈빈이 중요한 빠듯한 열 예산.
  • 모터 토폴로지를 전환하지 않고 프리미엄/IE3-IE4 타깃을 지원합니다.

신뢰성 현실: 베어링, 베어링, 베어링

차량 전체에서 모터 고장의 약 절반은 베어링(일반적으로 윤활, 오염, 정렬 불량 또는 VFD를 사용한 샤프트 전류 이상)으로 인해 발생합니다. 적절한 그리스 사용, 샤프트 접지, 절연 베어링, 깨끗한 정렬을 통해 문제를 완화할 수 있습니다. 상태 모니터링(진동, 온도, 모터 전류 시그니처 분석)을 통해 문제를 조기에 파악할 수 있습니다.

• 빠른 현장 확인:
  • 일정한 속도와 해안에서 으르렁거리는 소리를 들어보세요. 베어링 결함은 종종 "노래"합니다.
  • 열 비대칭은 부하 또는 전기적 문제를 나타낼 수 있습니다.
  • 로터 상태를 위해 MCSA는 분해하지 않고도 부러진 바 사이드밴드(부하에 따라 다름)를 확인할 수 있습니다. 

기계 살펴보기(고정자 및 회전자 역할)

일반적인 함정(그리고 해결 방법)

• 인덕션 모터가 "명판 rpm으로 작동해야 한다"고 가정합니다. 부하가 걸리면 몇 퍼센트의 슬립이 더 발생할 것으로 예상하고 Ns = 120-f/P를 사용하여 예상치를 설정합니다.
• 고정자-슬롯/로터-바 조합을 확인하지 않고 되감기: 스큐와 슬롯이 조화를 이루지 않으면 노이즈/코깅이 발생할 수 있습니다.
• 송풍기 지원 없이 VFD가 있는 TEFC 모터를 매우 낮은 rpm으로 감속: 팬이 비효율적으로 작동합니다 - 온도 감시.

실제로 할 수 있는 몇 가지 간단한 실험 및 확인 사항

• 종이와 연필 속도: 회선 주파수와 극 수에서 N을 계산하고, 타치 판독값과 비교하여 슬립을 추정합니다.
• 청진기 테스트: 일정한 속도에서 각 베어링 근처에서 들어보세요. rpm에 연결된 리듬 변조는 종종 전기적 문제보다는 기계적(베어링/커플링) 신호를 나타냅니다.
• 저위험 MCSA: True-RMS 클램프와 스펙트럼 앱/로거를 사용하여 부하가 안정적일 때 회선 주파수 주변의 측대역을 찾고, 시간에 따른 추세를 파악하여 로터 또는 부하 이상 징후를 조기에 포착합니다.

직관을 넓혀주는 두 가지 보너스 관점

리니어 모터는 차량의 평평한 '고정자'와 트랙 '회전자'(또는 그 반대의 경우)라는 지오메트리를 "펼칩니다". 동일한 스테이터가 파도를 만들고 로터가 파도를 타는 원리로 휠 접착에 의존하지 않고도 고속 운송을 가능하게 합니다.

• 가장 중요한 디자인 레버를 설계하세요:
  • 에어 갭(작고 균일한), 라미네이션 두께, 슬롯/폴 선택, 바 스큐, 냉각 경로, 해당되는 경우 자석 등급 및 두께.

마무리

고정자가 움직이는 자기 스크립트를 작성하고 회전자가 유도 또는 자체 자기장을 통해 이를 읽는 방법을 학습한다는 사실을 내면, 나머지는 주파수, 극, 슬립, 재료, 냉각 및 관리와 같은 엔지니어링 레버입니다. 속도 공식을 사용하여 기대치를 설정하고, 스큐와 슬롯을 사용하여 리플을 제어하고, 구리와 얇은 강철을 사용하여 효율성을 추구하고, TEFC와 단열재를 사용하여 온도 라인을 유지하고, 상태 모니터링을 통해 베어링을 양호하게 유지합니다. 이것이 바로 고정자 및 회전자에 대한 이야기이며, 다음 사양, 개조 또는 근본 원인에 적용할 수 있도록 설명해 드립니다.